1绪论
1.1机械臂控制系统的研究背景和意义
1.1.1机械臂控制系统的研究背景
机器人的定义是什么？在国际学术舞台上，众说纷绘，包括美国机器人协会(RIA)、国际标准组织(ISO)、日本工业机器人协会(JIRA)等不同的定义、总体来讲，机器人就是可以自动执行工作的机器装置。它可以被人编程，还可以根据人工智能等技术规定的纲领执行任务。从1920年捷克作家Capek在作品《Rossum's Universal Robots》中提到Robota(意思是劳役)这个词语开始，机器人开始从幻想发展成为现实了34年后，世界上第一个能够人工编程进行控制的机器人于1954年诞生在美国，美国发明家George Devol发明了一个能接受不同程序命令执行不同工作的机械手，并注册了专利[3]。1959年，第一台工业机器人由George Devel和Jloseph Ingeborg—起制造完成丨4]。之后，在计算机技术、人工智能、机械加工和理论基础等相关学科的飞速发展下，机器人技术也得到了进一步提高。21世纪，机器人技术逐渐向网络化、智能化、与人和谐等方面发展。美国开发了多重无人作战平台和作战机器人系统，应用在军事中；在欧洲，家用机器人和医疗机器人得到进一步幵发；拟人机器人在日本发展迅速，可以模仿人的动作、语言、表情等f5]。机械臂作为一种比较复杂又很实用的机器人，是各学科高度交叉融合的结果，包括机械学、人类学、计算机科学、控制科学、电子工程、生物学等。多关节机械臂是比较常见和实用的，它具有灵活、惯性小、工作范围大等特点[6],比较典型的是美国Unimation公司生产的PUMA系列机械臂和日本山梨大学牧野洋发明的SCARA机械臂。
1.1.2机械臂控制系统的研究意义
机器人们在不同的领域里各自发挥着重要作用，从天上到地下，从工业拓广到农、林、牧、滴’甚至进入寻常百姓家。机器人的种类之多，应用之广，影响之深，是我们始料未及的。机器人分为很多种，从机器人的应用环境来看，可以分为两大类：工业机器人和特种机器人（微型机器人、水下机器人、军用机器人、农业机器人等）11]。国际机器人联盟(IFR)发布的数据显示，2012年超过160,000个工业机器人被销悟出去，基本上和2011年的水平相当，并没爷?受全球经济危机影响而大幅袞退，美国地区的需求量继续增加由此可见，机器人的研究市场广阔。而机械臂是工业机器人的重要一种，它可以完成多种多样的工业生产任务，如搬运、装配、燥接、打孔等等，在一些危险的工作环境（如核福射、高温高压、强光、缺氧等地方）里，非常适合代替人类，完成既定目标和任务，减少了恶劣环境对人体的伤害，甚至可以完成人类所无法完成的任务。2012年，当我国岐龙号深潜探测器成功完成7000米级深潜任务时，欢欣鼓舞。而它在水下的取样、探测等工作的泊"力武器就是自带的机械臂，阁1.2为絞龙号用机械臂将五星红旗插在海底，机械臂可以代替人类出船活动，完成人类在海底高压、无氧等恶劣条件下不能完成的任务。2012年8月6日，美国宇航局(NASA)的好奇号(Curiosity)火星探测器成功降落于火星，它就是一个移动式机械臂，大小和通汽车差不多，可以配合搭载的多重科研仪器完成火星探测任务。
1.2机器人遥操作技术
机器人遥操作技术可以跨越空间，将人、机器和任务对象放在一个闭合的环路中，达到了人和客观世界中机器的同步交互操作，很大程度上提高了人的感知能力和行为能力。机器人善于完成底层的感知、路径规划、信号处理、重复性动作、微操作等任务，人类善于完成感知理解、动作规划、动作分解和解决实际问题等，遥操作技术可以让人完成智能分析部分，然后通过肢体语言控制机器人完成底层工作，这种人机交互的方式，可以达到更好的效果。在电影《铁甲钢拳》中，机器人Atom可以模仿主人公Charlie的动作，进行走路、跳舞、打拳等各种不同的动作，让人对这种体感技术充满了好奇，它也可以在日常生活、工业生产和军事领域得到广泛的应用。从20世纪40年代美国阿贡实验室开始研究用于放射性材料搬运的遥控主从机械臂以来，世界各国都致力于该技术的研究。1990年日本长崎县云仙岳火山喷发后需要抢修道路，政府就派安装了前馈立体摄像头和力反馈的操纵杆的遥操作机器人进行远程作业，但是，与人实际操作相比，效率只有不到50%;印度的Vivek Ramakrishnan等人使用FPGA遥控一个外科手术机械臂，但是仍然停留在仿真和实验阶段，他们通过与机械臂同轴安装的旋转电阻检测关节角，采用ATmegal6单片机对采样的模拟电压值进行AD转换ti2];从1994年西澳大利亚大学Taylor等人将ABB公司的工业机器人Telerobot接入公开访问的Internet后，这种通过互联网方式控制的远程机器人在美国、日本、德国、意大利等过掀起了新的研究方向近些年流行于游戏产业中的体感技术也逐渐在科研领域得到了应用。1996年，任天堂将全新的Wii遥控器引入家用游戏机，通过一个小小的遥控手柄，就可以无线操控游戏中的角色，大大改善了传统游戏手柄线控的空间限制；接下来，SONY和华硕等公司也相继推出自己的体感游戏控制系统。
2机械臂模型的建立
2. 1机械臂运动学
为了描述机械臂与周围物体的关系，如抓取目标等，就需要学习刚体的坐标变换。机械臂的运动学包括正向运动学和逆向运动学。正向运动学是指通过机械傳的各个关节的翔度求取末端执行器的位置的问题；逆向运动学则恰好相反，已知末端执行器的位置，求取机械臂的各个关节的角度的问题示意图如图2.1。
3 机械臂控制系统硬件开发........ 14
3.1六自由度机械臂控制系统........ 14
3.2可编程逻辑控制器........ 16
3.3 ZigBee无线传感器网络设计........ 16
3.4加速度传感器测关节角........ 19
3.5角陀螺仪及模数转换........ 20
3.6直流电机驱动........ 21
3.7 Microsoft Kinect 传感器........ 21
4机械臂控制系统下位机软件开发........ 23
4.1可编程逻辑控制器程序设计........ 23
4.2 ZigBee无线通信 ........35
5机械臂控制系统上位机软件开发........ 37
5.1 ICinect传感器软件幵发........ 37
5.1.1开发平台........ 37
5.1.2 Kinect 骨骼追踪........ 38
5.1.3空间向量法计算关节角........ 39
5.2 Lab VIEW 程序开发........ 44
5.3滑动平均滤波算法平滑关节角度........ 59
结论
随着计算机技术、传感器技术、芯片制造技术等的大力发展，机器人的研究得到了前所未有的机遇。本文运用FPGA控制器、体感摄像头Kinect、Lab VIEW图形化编程语言、MATLAB、传感器、ZigBee无线通信等硬件和软件，实现了远程六自由度机械臂和移动平台的体感控制，运行稳定。成果如下：
(1)搭建了六自由度机械臂和移动平台等硬件，通过Altera公司的EP2C8Q208型高性价比FPGA芯片作为核心处理器，编写的VerilogHDL程序采集各传感器的数据、串行通信、控制命令解析等运行正确。
(2)给出了实验用机械臂的D-H模型，运用MATLAB Robotics Toolbox构建了机械臂模型，从而进行机械臂的运动学和逆运动学求解，得到轨迹规划，计算出关节角转动角度向量，从而自动求出机械臂各个舵机应该转动的角度，达到智能控制旳目的。
(3)用Microsoft公司的Kinect传感器对机械臂的操作员的骨骼进行分析，编写了 C#程序求出两只手臂的主要关节角，通过文本文件传输的方式将关节角数据传输给LabVIEW程序，效率较高，满足系统运行的需要。
(4)通过ZigBee无线通信方式将FPGA与控制中心的计算机建立起了无线通信桥梁，采用点对点的通信方式，由协调器节点和终端节点组成。
(5)编写了 LabVIEW上位机程序，功能齐全，包括登陆程序、控制命令的逻辑与串行收发、加速度传感器的采样值到关节角的计算方法、LabVIEW与MATLAB混合编程计算机械臂笛卡尔空间的路径规划、LabVIEW与C#数据交换等程序。
(6)上位机对Kinect传感器采集的人体骨骼关节角数据进行了滤波，介绍了滑动平均滤波算法，提出带限幅加权滑动平均滤波算法，实验结果证明该算法能够有效地平滑原始数据，并且时滞性比滑动平均滤波算法好，数据出现异常情况下能滤除，有效地避免机械臂误动作。
参考文献
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